俯沖帶內(nèi)雙地震帶與三地震帶的形成機(jī)理

彭志芳

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院

俯沖帶內(nèi)雙地震帶與三地震帶的形成機(jī)理

彭志芳

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院

為有效解決雙地震帶與三地震帶形成機(jī)理的疑難，特引入超臨界流體與斷層耦合致震模型，對(duì)雙地震帶與三地震帶現(xiàn)象進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：固體地球系統(tǒng)內(nèi)部存在雙層或三層俯沖帶，其上的地震事件集群分布相應(yīng)的形成了雙地震帶或三地震帶，在其形成過程中綴于下方的巨石體發(fā)揮了重要作用，造就了雙地震帶與三地震帶特殊的應(yīng)力分布。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從公元1500年起至2000年的500年間地震已累計(jì)造成至少527.2萬人死亡，Holzer等的地震死亡目錄模擬表明，21世紀(jì)全球地震死亡人數(shù)將為257±64萬人。然而目前人類對(duì)地震的認(rèn)識(shí)仍相當(dāng)有限，對(duì)地震的形成機(jī)理進(jìn)行客觀全面的認(rèn)識(shí)成為擺在世界人民面前的一巨大難題。在所有地震類型中，中深源地震成因最為特殊，是人類客觀認(rèn)識(shí)地震形成機(jī)理的關(guān)鍵，現(xiàn)階段學(xué)界對(duì)其形成機(jī)理的研究頗多，但在予更為特殊的雙地震帶與三地震帶成因以合理的解釋方面尚存困難。對(duì)此，目前的解釋主要有抗彎作用、脫水作用、熱剪切不穩(wěn)定性、原先已有斷層重新滑動(dòng)等模型，這幾種模型的困境概括起來主要是沒有與各類地震的形成機(jī)理有機(jī)統(tǒng)一，且不能解釋雙地震帶的幾倍與本身的間隔距離問題或其間隔距離與年齡的正比關(guān)系以及三地震帶等現(xiàn)象。本文即要通過對(duì)超臨界流體(SCF)與俯沖帶的耦合致震機(jī)理的研究著手解決上述疑難。

雙地震帶與三地震帶的形成要素

在俯沖帶內(nèi)具有沿俯沖方向張性(DDT）、壓性（DDC）等不同震源機(jī)制且間隔一定距離的中深源地震條帶分布稱之為雙地震帶（DSZ）。DSZ最早是1966年Sykes在千島南部地區(qū)發(fā)現(xiàn)的，1977年Veith的研究對(duì)此予以了證實(shí)，并揭示了該地區(qū)DSZ的震源機(jī)制上層為DDC,下層為DDT。此后在湯加海溝、馬里亞納、新西蘭等俯沖帶內(nèi)也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了DSZ，至此DSZ基本得到了學(xué)界的認(rèn)可，但其形成機(jī)理仍懸而未決，讓DSZ謎上加謎的則是三地震帶的發(fā)現(xiàn)。1994年Akira等注意到日本本州東北地區(qū)火山島弧下方的DSZ存在異常，2001年Igarashi等對(duì)該區(qū)域俯沖帶的應(yīng)力分布進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明該區(qū)域的貝尼奧夫帶可分為三層，屬于比較典型的三地震帶。DSZ與三地震帶屬于地震帶的特殊形式，其構(gòu)成是多個(gè)中深源地震事件的集合，要解開DSZ與三地震帶的形成機(jī)理就須以地?zé)崮?、SCF、俯沖帶三要素促就的中深源地震為切入口，下面就將這三要素分別進(jìn)行闡述。

形成動(dòng)力——地?zé)崮?/p>

地?zé)崮苁且詿崃π问酱嬖谟诠腆w地球系統(tǒng)內(nèi)部的天然熱能。地?zé)崮苤饕獊碓从诘厍騼?nèi)部放射性元素蛻變釋放的熱能，其次是地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)能與重力分異、化學(xué)反應(yīng)、巖礦結(jié)晶釋放的熱能等。在固體地球系統(tǒng)演化進(jìn)程中，巖石圈的圍限使固體地球系統(tǒng)獲得的熱能超過了其散逸的熱能，久之使固體地球系統(tǒng)形成了熱能的巨大儲(chǔ)庫，為各類地質(zhì)作用提供原初動(dòng)力的正是其自身儲(chǔ)蓄的熱能。對(duì)這一論斷的印證最直觀的證據(jù)有深海熱液噴流、爆發(fā)性火山的高溫高壓蒸汽、火山熔巖流等，概括說整個(gè)地學(xué)理論的建立都是以地?zé)崮転榛A(chǔ)的，地?zé)崮芤l(fā)地慢對(duì)流，推動(dòng)板塊運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致板塊的張裂與擠壓，進(jìn)而引發(fā)了一系列地質(zhì)作用。地?zé)崮転镈SZ與三地震帶形成提供的動(dòng)力可分為兩個(gè)方面，一方面是地?zé)崮芴峁┑膭?dòng)能使俯沖帶的俯沖運(yùn)動(dòng)成為可能，另一方面是經(jīng)地?zé)崮苻D(zhuǎn)化并儲(chǔ)蓄的地震能為中深源地震的產(chǎn)生創(chuàng)造了前提。

形成媒介——超臨界流體

SCF是介于氣液之間的一種既非氣態(tài)又非液態(tài)的物質(zhì)。這種物態(tài)在溫度和壓力均超過流體臨界點(diǎn)的固體地球系統(tǒng)內(nèi)部廣泛存在。在固體地球系統(tǒng)的演化進(jìn)程中絕大部分水進(jìn)入到了內(nèi)部，大量的水與演化過程中的流體殘余、無機(jī)成因烴等共同構(gòu)成了固體地球系統(tǒng)內(nèi)部的C—H—O—S流體體系。在固體地球系統(tǒng)能量收支趨平衡過程中，由于不良導(dǎo)體巖石圈的圍限，部分地?zé)崮芤許CF為媒介轉(zhuǎn)化為地震能。SCF在受限空間內(nèi)儲(chǔ)蓄地震能并與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)耦合，直至受限的SCF孕震體達(dá)到應(yīng)力極限平衡狀態(tài)，后在某一觸發(fā)因素作用下孕震體崩解，致使孕震系統(tǒng)壓力驟減，引發(fā)SCF爆炸形成地震。胡寶群等從理論物理的角度研究了巖石圈中水的臨界奇異性，較系統(tǒng)的闡明了SCF與地震事件的相關(guān)關(guān)系，對(duì)于淺源地震，地殼斷裂與SCF的臨界奇異性變化耦合可觸發(fā)地震，而對(duì)于深源地震，雖然SCF臨界奇異性影響有限，但SCF孕震體蓄足壓力后的驟然相變亦可形成地震。Sano等報(bào)道2011年東京Ms9.0地震后震源區(qū)海水3He含量劇增，

3He/4He值是幔源物質(zhì)的重要判識(shí)指標(biāo)，3He的大幅異常表明在地震時(shí)有大量幔源SCF沿同震斷裂涌出，這證明了流體作為要素之一參與了地震過程。在DSZ與三地震帶的地幔對(duì)流下降流區(qū)域重力分異加劇，分異出大量SCF,加之該區(qū)域俯沖板塊富含大量流體，這些流體在沉積物壓實(shí)、成巖作用、巖體變質(zhì)反應(yīng)等過程中逸出，致使匯聚板塊邊界內(nèi)成為SCF的巨大儲(chǔ)庫。SCF通過熱能儲(chǔ)蓄作用，將熱能轉(zhuǎn)化為地震能，充當(dāng)了中深源地震的形成媒介，直接參與到DSZ與三地震帶的形成過程中。

形成場(chǎng)所——俯沖帶

固體地球系統(tǒng)內(nèi)的SCF在縱向上主要受重力分異影響，有背離地心向其邊界運(yùn)移的趨勢(shì)，俯沖到固體地球系統(tǒng)內(nèi)的俯沖帶在鉛垂方向上構(gòu)成了相對(duì)于地殼的二級(jí)圍限邊界，深源地震的產(chǎn)生由此有了前提，雖然在固體地球系統(tǒng)內(nèi)部溫度和壓力增大，地震的發(fā)生機(jī)理已經(jīng)發(fā)生了變化，但其本質(zhì)均是系統(tǒng)對(duì)熵增的圍限，中深源地震可看作是依存于剛性地殼的淺源地震向固體地球系統(tǒng)的內(nèi)部延展。深源地震的發(fā)生依存于俯沖帶，俯沖帶的消融即意味著地震事件的消亡，對(duì)此Isacks等在1969年即予以了論證，并分析了中深源地震的震源機(jī)制隨俯沖深度的變化規(guī)律，指出智利、新西蘭北島、新赫布里底等俯沖帶內(nèi)的中源地震為DDT型，最深部則以DDC型為主。對(duì)此的解釋是俯沖帶中部以上SCF充沛且圍限壓力較小，使SCF孕震體以向外爆炸為主形成DDT型地震，另外此部位俯沖帶在SCF活化后的張性斷裂也能形成DDT型地震；當(dāng)俯沖帶攜帶SCF孕震體或孕震體殘余空殼向固體地球系統(tǒng)內(nèi)部俯沖時(shí)，隨著俯沖深度加大，壓力逐漸升高，直至其不可抗拒圍限壓力時(shí)內(nèi)爆形成DDC型地震。

雙地震帶與三地震帶形成過程

DSZ進(jìn)一步細(xì)分又可分為Ⅰ型DSZ與Ⅱ型DSZ，其中Ⅰ型DSZ的間隔距離為30～40Km，Ⅱ型DSZ的間隔距離為10～20Km，兩類DSZ的間隔距離均幾倍于5～6Km的洋殼厚度，而在壓實(shí)、脫水、融蝕等作用下，俯沖帶整體并不具備大幅增厚的可能，合理的解釋是固體地球系統(tǒng)內(nèi)部存在著雙層俯沖帶，三地震帶對(duì)應(yīng)的則是三重俯沖帶。對(duì)此予以佐證的是部分俯沖帶間隔距離與年齡大致成正比關(guān)系現(xiàn)象，在DSZ前期，DSZ上下層間隔距離小，貼合較好，隨著年齡增長(zhǎng)，上下層俯沖帶運(yùn)動(dòng)速度與狀態(tài)差別擴(kuò)大，加之下行地慢流的沖擊，DSZ間隔距離得以逐漸增加形成Ⅰ型DSZ，當(dāng)俯沖帶上行至地慢頂部時(shí)，由于上行受阻，其間隔距離會(huì)有所縮小，進(jìn)而形成Ⅱ型DSZ。如圖1（a）所示，對(duì)俯沖帶作受力分析，其在鉛垂方向上受到向上的浮力F浮與向下的重力G，同時(shí)俯沖帶還受到沿俯沖方向的動(dòng)力F,給俯沖帶提供動(dòng)力的正是運(yùn)動(dòng)速度快于俯沖帶的地慢對(duì)流施與其的摩擦力，也正因?yàn)槿绱瞬攀沟酶_帶的阻力只有在水平方向上的沿反運(yùn)動(dòng)方向的橫向粘滯阻力f，將動(dòng)力F沿水平方向和鉛垂方向分解則分別可得到F1和F2。俯沖到地慢中的俯沖帶在高溫高壓下逐漸脫水融蝕，由于重力分異作用，低密度的揮發(fā)分沿鉛垂方向上行，高密度巖體熔融體則沿俯沖帶導(dǎo)流下行直至俯沖帶末端，在表面張力的作用下得以蓄集增大形成巨石體，當(dāng)滯留體積達(dá)到某一臨界值后，在某一誘發(fā)因素觸發(fā)下發(fā)生巨石體塌陷。如圖1（b）所示，隨著俯沖帶的融蝕與巨石體的增長(zhǎng)，俯沖帶的應(yīng)力狀態(tài)隨之改變,現(xiàn)對(duì)其應(yīng)力作具體的分析，設(shè)俯沖角度為θ，水平方向合力為Fh,取水平向右為正方向,由F1=cosθF，f=μsinθcosθF可得：

式中μ為介于0到1之間的橫向粘滯阻力系數(shù)，當(dāng)受力客體為真空時(shí)μ=0，當(dāng)受力客體剛性同等于施力客體時(shí)μ=1，且知俯沖帶的俯沖角0°<θ<90°，得到Fh>0。由（1）式可推出在俯沖帶的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中其在水平方向上的受力恒為水平向右，即俯沖帶在運(yùn)動(dòng)過程中將不會(huì)受到水平方向上的剪應(yīng)力。繼而再設(shè)俯沖帶鉛垂方向合力為Fv,取豎直向下為正方向,由G=ρVg,F浮=ρ液V排g,F2=sinθF，且V=V排可得

式中g(shù)為重力常數(shù)，由于俯沖帶密度ρ、地幔物質(zhì)密度ρ液、俯沖帶體積V、sinθ均處于動(dòng)態(tài)變化過程中，進(jìn)而造成了對(duì)Fv計(jì)算的困難，為便于判斷俯沖帶在鉛垂方向上的受力狀況，下面就對(duì)其進(jìn)行分類討論：

（1）在圖1（b）中以A點(diǎn)為代表的俯沖帶中上段ρ<ρ液→(ρ-ρ液)Vg<0

1當(dāng)|(ρ-ρ液)Vg|>sinθF時(shí)，F(xiàn)v<0，受力方向豎直向上；

2當(dāng)|(ρ-ρ液)Vg|=sinθF時(shí)，F(xiàn)v=0；

3當(dāng)|(ρ-ρ液)Vg|0，受力方向豎直向下。

（2）在圖1（b）中以B點(diǎn)為代表的俯沖帶中下段ρ≥ρ液→(ρ-ρ液)Vg≥0，此時(shí)Fv>0，受力方向?yàn)樨Q直向下。由（2）式可推出在俯沖過程中俯沖帶的上段和中下段受力方向相反，在俯沖帶兩端之間的某一對(duì)應(yīng)剪切截面上存在一剪切壓力Fs,令Fv<0時(shí)Fv=|Fv’|,Fv>0時(shí)Fv=Fv”→Fs=(|Fv’|+Fv”)/2,且τ=Fs/S可得：

圖1 雙地震帶的形成過程示意圖

式中τ為平均剪應(yīng)力，S為剪切截面面積，當(dāng)τ大于俯沖帶的極限剪切應(yīng)力[τ]時(shí)，俯沖帶即被剪斷成為如圖1（c）所示的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)彼此獨(dú)立的兩個(gè)部分，譬如俯沖到菲律賓海板塊之下的南海古擴(kuò)張脊就存在明顯的傾角突變和應(yīng)變釋能間斷。現(xiàn)對(duì)以C點(diǎn)為代表的已折斷俯沖帶作受力分析，此時(shí)其動(dòng)力消失，即由F=0→Fh=0得：

隨著巨石體的增長(zhǎng),俯沖帶整體密度增大，使得Fv>0，對(duì)應(yīng)的受力方向豎直向下，折斷的俯沖帶攜帶SCF孕震體與孕震體殘余空殼沉入壓力更大的地慢深處，直至其不可抗拒圍限壓力時(shí)內(nèi)爆形成DDC型地震。當(dāng)巨石體克服表面張力發(fā)生重力塌陷時(shí)，折斷俯沖帶密度驟降，使得Fv<0，此時(shí)受力方向豎直向上，折斷的俯沖帶攜帶SCF孕震體上浮至壓力更小的如圖1（d）所示的地慢淺處，直至其遠(yuǎn)大于外界壓力且足以抗拒圍限邊界時(shí)外爆釋壓形成DDC型地震，與之相對(duì)的上層俯沖帶則由充沛的SCF和彎曲處張力作用而形成DDT型地震，此即為DSZ前期。俯沖帶的進(jìn)一步發(fā)展可于雙地震中期形成如圖1（e）所示的典型Ⅰ型DSZ。在這一過程中，折斷俯沖帶的融蝕與新巨石體的生長(zhǎng)仍在繼續(xù)，當(dāng)F浮≤G時(shí),Fv≥0，折斷俯沖帶上行停止，大致處于動(dòng)態(tài)平衡中，并有如圖1（f）所示的下行趨勢(shì)，形成了典型的Ⅱ型DSZ。上述DSZ形成過程周而復(fù)始形成下一周期DSZ，當(dāng)下層折斷俯沖帶融蝕速率減慢或后一周期DSZ形成速率加快時(shí)，前后2個(gè)周期的DSZ或有重疊，重疊時(shí)所展現(xiàn)的貝尼奧夫帶分層現(xiàn)象即為如圖2所示的三地震帶現(xiàn)象。

圖2 三地震帶的形成過程示意圖

結(jié)論

（1）在固體地球系統(tǒng)能量收支趨平衡過程中，由于不良導(dǎo)體巖石圈的圍限，部分地?zé)崮芤猿R界流體為媒介轉(zhuǎn)化為地震能。

（2）俯沖到固體地球系統(tǒng)內(nèi)的俯沖帶在鉛垂方向上構(gòu)成了相對(duì)于地殼的二級(jí)圍限邊界，為中深源地震的產(chǎn)生創(chuàng)造了前提。

（3）巨石體的生長(zhǎng)與重力塌陷對(duì)應(yīng)的折斷俯沖帶上下行可對(duì)其上的地震震源機(jī)制施以影響。

（4）固體地球系統(tǒng)內(nèi)部存在著雙層或三層俯沖帶，在其上發(fā)生地震事件的集群分布相應(yīng)的形成了雙地震帶與三地震帶。